地下水流動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀

■李楊

（河北石家莊050081）

地下水流動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀

■李楊

（河北石家莊050081）

本文系統(tǒng)論述了地下水系統(tǒng)的發(fā)展情況，并對(duì)地下水循環(huán)的現(xiàn)狀進(jìn)行了討論，提出了水循環(huán)的方法主要為地下水動(dòng)力學(xué)法，同位素水文學(xué)方法，以及水文地球化學(xué)方法，為真實(shí)的揭露研究區(qū)的水循環(huán)條件提供了依據(jù)。

地下水 含水層系統(tǒng) 流動(dòng)系統(tǒng) 水循環(huán)

水文地質(zhì)工作是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展中比較重要的一個(gè)方面，尤其是隨著人們對(duì)水文地質(zhì)工作的越來越重視。地下水循環(huán)研究作為一種區(qū)域性的、大規(guī)模的研究部分，有必要作為一個(gè)整體在對(duì)待。

1 地下水系統(tǒng)的發(fā)展

“一般系統(tǒng)論”自馮·貝塔朗菲提出以后，系統(tǒng)論在各個(gè)領(lǐng)域得到了長(zhǎng)足的應(yīng)用和發(fā)展。多曼尼克于1972年介紹了“地下水文系統(tǒng)”。以后，系統(tǒng)論在水文地質(zhì)界得到了較大的發(fā)展。地下水系統(tǒng)理論作為現(xiàn)代水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展過程中必然的產(chǎn)物，形成了一個(gè)重要的、新的基礎(chǔ)水文地質(zhì)理論。張人權(quán)認(rèn)為“地下水系統(tǒng)”概念的提出，是水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果，而不是單純的系統(tǒng)理論的方法思想滲入進(jìn)了水文地質(zhì)領(lǐng)域。

1.1 含水層系統(tǒng)

最初，水文是為了解決人們的生活用水問題，主要工作方式是打出涌水量大、水質(zhì)好的水井，所以人們關(guān)注的是水井附近的含水層，范圍較小，且認(rèn)為抽水井的影響范圍即影響半徑有限，水井附近的地下水位很快達(dá)到穩(wěn)定，不會(huì)隨時(shí)間變化，這就形成了以裘布依公式和假設(shè)為代表的穩(wěn)定井流理論。但隨時(shí)間推移，對(duì)水資源的需求不斷增加，開采量不斷增大，最后直到含水層的邊界，這個(gè)過程中地下水運(yùn)動(dòng)也是動(dòng)態(tài)的。這才懂得以往將水井附近的小范圍含水層作為研究對(duì)象有些不再適用，必須將整個(gè)含水層作為研究對(duì)象才能解決上述問題。后來，非穩(wěn)定流理論才逐漸成為主流，許多地下水公式得以問世，以泰斯的非穩(wěn)定流公式成為代表。

生產(chǎn)實(shí)踐過程中，人們對(duì)含水層地下水的開采，出水量往往大于含水層的儲(chǔ)水量。這時(shí)候人們才意識(shí)到，含水層不可能是單一的，而相鄰含水層的“越流補(bǔ)給”是一定要考慮進(jìn)去的。因此，在以后的地下水研究過程中，必須要將有多個(gè)水力聯(lián)系的含水層作為研究對(duì)象，有時(shí)候甚至是整個(gè)的水文地質(zhì)單元。之后，“含水系統(tǒng)”、“含水層系統(tǒng)”術(shù)語相繼出現(xiàn)。

1.2 地下水流動(dòng)系統(tǒng)

水文地質(zhì)學(xué)家長(zhǎng)期以來忽視了地下水的垂向運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為地下水徑流是二維的平面運(yùn)動(dòng)，但是單純靠這樣的理論，對(duì)水文地質(zhì)問題都得不到根本解決。第一個(gè)明確指出地下水存在垂向運(yùn)動(dòng)的是赫伯特，他在1940年發(fā)表的論文中提到，排泄區(qū)的流線是指向地下水面的，為上升流。在補(bǔ)給區(qū)，流線離開地下水面向下運(yùn)動(dòng)，是下降流。只有在兩者之間的過渡帶，流線才是水平的。

隨著流網(wǎng)概念的產(chǎn)生，其研究程度又提升了一個(gè)臺(tái)階。拖特、英格論等人發(fā)展起來地下水流系統(tǒng)理論。托特（1963）分析得到均質(zhì)各向同性盆地中的理論流動(dòng)系統(tǒng)，包括局部水流系統(tǒng)，中間水流系統(tǒng)和區(qū)域的水流系統(tǒng)。1980年，托特又提出了“重力穿層流動(dòng)”的概念，把地下水流系統(tǒng)理論應(yīng)用于非均質(zhì)的區(qū)域。之后，荷蘭的英格倫教授，基于地下水流系統(tǒng)的概念建立了一套著重于解決水文地質(zhì)問題的方法。陳夢(mèng)熊院士，將地下水系統(tǒng)理論引入中國(guó)，發(fā)展并完善了這個(gè)理論，并順利的解決了許多區(qū)域地下水問題。

陳夢(mèng)熊院士在20世紀(jì)80年代就分析了黃河沖積平原地區(qū)地下水的系統(tǒng)特點(diǎn)。90年代末期，不少的水文地質(zhì)工作者將該理論運(yùn)用于實(shí)踐，拿來研究分析特定區(qū)域的水文地質(zhì)條件。李文鵬對(duì)西北地區(qū)典型的地下水水流系統(tǒng)進(jìn)行過系統(tǒng)分析；張宗祜（1997）分析了華北平原第四系地下水的演化規(guī)律許廣明等分析了西北地區(qū)大型內(nèi)陸盆地含水層系統(tǒng)和地下水流系統(tǒng)的演化特征；李向全等利用水化學(xué)和同位素技術(shù)定量研究了太原盆地地下水系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化關(guān)系。張光輝對(duì)黑河流域地下水流系統(tǒng)的演化模式進(jìn)行了研究。林學(xué)鈺等在“黃河流域地下水資源及開發(fā)利用對(duì)策”中，根據(jù)地貌單元、地下水運(yùn)動(dòng)特征將黃河流域進(jìn)行了地下水系統(tǒng)劃分。

2 地下水循環(huán)研究現(xiàn)狀

20紀(jì)90年代末，大區(qū)域的地下水資源演化研究與不同尺度水循環(huán)演化在我國(guó)開始廣泛的被人們關(guān)注。20世紀(jì)80年代以來，許多的新科學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用于地下水循環(huán)研究中，其中物探、遙感、同位素及信息化等技術(shù)成果較為顯著，其中利用同位素等示蹤技術(shù)，研究地下水循環(huán)被證明是一種有效的技術(shù)方法。

目前，研究地下水循環(huán)的方法主要是地下水動(dòng)力學(xué)法（董悅安等，2002），同位素水文學(xué)方法，以及水文地球化學(xué)方法（李振栓，1995）。

2.1 地下水動(dòng)力學(xué)方法

地下水流數(shù)值模擬技術(shù)始于世紀(jì)中期，該技術(shù)以地下水滲流理論為基礎(chǔ)，將地下水流運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)計(jì)算公式以模塊形式嵌套到模型中，主要為地下水資源評(píng)價(jià)和科學(xué)的管理服務(wù)。近年來，國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者團(tuán)隊(duì)開發(fā)了大量實(shí)用的下水?dāng)?shù)值模擬軟件，如GMS,Visual Modflow等，現(xiàn)已成為地下水科學(xué)中不可缺少的工具。

2.2 水化學(xué)方法

由于在整個(gè)水循環(huán)中，地下水循環(huán)是其中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，在地下水徑流的過程中，地下水的化學(xué)組分會(huì)隨著徑流條件和研究區(qū)特有的地形、地貌、水文地質(zhì)條件發(fā)生改變。反之，地下水水化學(xué)的改變過程，也能夠反映地下水在循環(huán)的過程中的一些特點(diǎn)。地下水在徑流過程中，與圍巖發(fā)生長(zhǎng)期的水巖作用，其化學(xué)成分特征記錄了滲流途徑、補(bǔ)給源等信息，可以為探討地下水成因，及水文地球化學(xué)過程等水循環(huán)信息提供依據(jù)。

2.3 同位素水文學(xué)方法

“同位素水文學(xué)”術(shù)語是在20世紀(jì)年50代末提出的（Aggarwal，2005）。

地下水同位素年齡測(cè)定：地下水年齡的普遍說法就是從補(bǔ)給區(qū)開始，地下水在含水層中的滯留時(shí)間。地下水年齡作為研究地下水循環(huán)的重要指標(biāo)之一，可以用來計(jì)算地下水的更新速率，因此對(duì)于地下水資源量的計(jì)算有著重要意義。

3 結(jié)論

地下水動(dòng)力學(xué)方法、水文地球化學(xué)方法和同位素水文學(xué)方法都可以在一定程度為水循環(huán)研究提供依據(jù)。為了能夠真實(shí)的揭露研究區(qū)的水循環(huán)條件，只有在充分了解水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，選用合理的方法，有時(shí)不僅僅使用一種，才能得出正確的水循環(huán)結(jié)論，達(dá)到揭示水循環(huán)的目的。

P345[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-5-385-1